第三章DNA的生物合成與人體營養(yǎng)健康DNA的組成DNA的生物合成本章目錄一二DNA損傷及修復(fù)與人體健康三本章重難點掌握熟悉1.掌握DNA的二級結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)特點2.掌握DNA合成中的半不連續(xù)合成3.掌握E.coliDNA損傷修復(fù)與人體DNA損傷修復(fù)途徑的差異4.掌握DNA損傷修復(fù)障礙與人體健康的聯(lián)系1.熟悉DNA復(fù)制的方式、復(fù)制酶系、復(fù)制的大致過程、原核生物與真核生物DNA復(fù)制的異同點了解1.了解DNA的基本組成單位2.了解DNA的一、二、三級結(jié)構(gòu)4.了解DNA損傷的概念、類型以及原因5.了解DNA損傷修復(fù)的概念和途徑第一節(jié)DNA的組成一、DNA的發(fā)現(xiàn)二、DNA的化學(xué)組成三、DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)下半葉，融合遺傳的觀點十分盛行。奧地利科學(xué)家孟德爾（G.J.Mendel）打破了這一觀點，提出了完全不同的理論。他利用豌豆進行雜交實驗，發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律，成功地揭示了生物體遺傳的不是性狀本身，而是控制性狀的遺傳因子。1868年，瑞士科學(xué)家米歇爾（JohannFriedrichMiescher,1844-1895）發(fā)現(xiàn)了細胞核中含有一種含磷量很高的酸性化合物，將其命名為“核素”即現(xiàn)在的核酸。但此項發(fā)現(xiàn)與遺傳規(guī)律的發(fā)現(xiàn)一樣，在當(dāng)時沒有引起人們的重視。到了19世紀(jì)后期，人們在顯微鏡下觀察到了染色體。后來，摩爾根等人進行了果蠅的雜交實驗，證明了染色體攜帶著基因，這讓人們認識到遺傳因子是具有物質(zhì)性的實體。之后，德國科學(xué)家科賽爾（AlbrechtKossel,1853-1927）確定了DNA的化學(xué)組成，但并沒發(fā)現(xiàn)DNA是構(gòu)成基因的化學(xué)物質(zhì)。直到20世紀(jì)30年代末，人們探索遺傳物質(zhì)的步伐才回到了DNA的正確道路上。1928年英國科學(xué)家格里菲斯通過實驗發(fā)現(xiàn)了被后人稱為“轉(zhuǎn)化”的現(xiàn)象。1944年美國科學(xué)家埃弗雷等人在格里菲斯的研究基礎(chǔ)上改進實驗，提出了遺傳物質(zhì)不是蛋白質(zhì)，而是DNA。1952年由赫爾斯和蔡斯設(shè)計的噬菌體實驗證實了DNA是主要的遺傳物質(zhì)。G.J.Mendel1822-1884一、DNA的發(fā)現(xiàn)1.細菌轉(zhuǎn)化實驗加熱殺死的S型雙球菌含有某種轉(zhuǎn)化因子，可促使R型轉(zhuǎn)化為S型。這種轉(zhuǎn)化因子究竟是什么呢？一、DNA的發(fā)現(xiàn)2.肺炎雙球菌體外轉(zhuǎn)化實驗分別用蛋白酶、RNA酶、超離心處理后，細胞提取物仍然有轉(zhuǎn)化活性在DNA中加入DNA酶后轉(zhuǎn)化不再發(fā)生一、DNA的發(fā)現(xiàn)3.噬菌體侵染細菌實驗子代噬菌體的各種形狀是通過親代噬菌體的DNA遺傳的。這個實驗進一步證明了DNA是遺傳物質(zhì)，而不是蛋白質(zhì)。一、DNA的化學(xué)組成核酸是由多個核苷酸通過3',5'-磷酸二酯鍵連接而成的多聚核苷酸。根據(jù)所含戊糖的不同，核酸分為DNA和RNA兩大類。DNA是形成細胞或病毒遺傳密碼的核酸聚合物。大多數(shù)DNA分子由四個核苷酸的兩個聚合物（雙鏈）組成，每個聚合物由一個堿基、脫氧核糖和一個磷酸基團組成。二、DNA的化學(xué)組成1.堿基（1）常見堿基構(gòu)成核苷酸的堿基分為嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）兩類。二、DNA的化學(xué)組成稀有堿基是指上述五種堿基環(huán)上的某一位置被一些化學(xué)基團（如甲基、甲硫基等）修飾后的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各類核酸中的分布也不均一，但是可能對核酸的功能起到重要的調(diào)節(jié)作用。（2）稀有堿基自然界中還存在其他堿基衍生物。嘌呤堿衍生物次黃嘌呤、黃嘌呤和尿酸是核苷酸代謝的產(chǎn)物。黃嘌呤甲基化衍生物茶堿（1,3-二甲基黃嘌呤）、可可堿（3,7-二甲基黃嘌呤）、咖啡因（1,3,7-三甲基黃嘌呤）分別存在于茶葉、可可、咖啡中，都有增強心臟活動的功能。二、DNA的化學(xué)組成2.戊糖戊糖是核苷酸的基本組成成分之一，核酸中的戊糖分為兩種，核糖和脫氧核糖二、DNA的化學(xué)組成3.核苷堿基與脫氧核糖通過糖苷鍵縮合形成脫氧核苷，其連接方式是脫氧核糖C-1的羥基與嘧啶堿第一位氮原子（N-1）或嘌呤堿第9位氮原子（N-9）上的氫脫水形成β-N-糖苷鍵，分別稱為2'-脫氧腺苷、2'-脫氧胸苷、2'-脫氧鳥苷和2'-脫氧胞苷。4.核苷酸核苷酸是由核苷中戊糖的羥基與磷酸脫水縮合形成的磷酸酯。由脫氧核糖核苷生成的磷酸酯稱為脫氧核糖核苷酸。生物體內(nèi)的核苷酸大多為5‘-核苷酸，即脫氧核糖的第5位碳原子（C-5’）上的羥基與磷酸分子縮合形成磷酸鍵，生成的脫氧核苷酸。二、DNA的化學(xué)組成脫氧核苷酸的分子模型二、DNA的化學(xué)組成核酸堿基核苷核苷一磷酸核苷二磷酸核苷三磷酸DNAA脫氧腺苷脫氧腺苷一磷酸(dAMP)脫氧腺苷二磷酸(dADP)脫氧腺苷三磷酸(dATP)G脫氧鳥苷脫氧鳥苷一磷酸(dGMP)脫氧鳥苷二磷酸(dGDP)脫氧鳥苷三磷酸(dGTP)C脫氧胞苷脫氧胞苷一磷酸(dCMP)脫氧胞苷二磷酸(dCDP)脫氧胞苷三磷酸(dCTP)T脫氧胸苷脫氧胸苷一磷酸(dTMP)脫氧胸苷二磷酸(dTDP)脫氧胸苷三磷酸(dTTP)表1DNA的堿基、核苷及核苷酸通常以堿基的第一個字母表示含相應(yīng)的堿基，以小寫的“d”表示含有脫氧核糖的核苷酸。根據(jù)包含的磷酸基團數(shù)目不同，脫氧核苷酸包括脫氧核苷一磷酸（dNMP）、脫氧核苷二磷酸（dNDP）、脫氧核苷三磷酸（dNTP）。遇到具體核苷酸時，使用堿基首字母代替N。三、DNA的結(jié)構(gòu)1.DNA的一級結(jié)構(gòu)DNA的一級結(jié)構(gòu)是指DNA分子中脫氧核苷酸從5'-末端到3'-末端的排列順序。由于脫氧核苷酸之間的差別僅在于堿基的不同，所以DNA的一級結(jié)構(gòu)即是它的堿基排列順序。DNA中核苷酸的連接方式DNA一級結(jié)構(gòu)的表達方式二、DNA的結(jié)構(gòu)2.DNA的二級結(jié)構(gòu)英國物理化學(xué)家RosalindFranklin用X射線衍射技術(shù)分析了DNA結(jié)晶，獲得了高質(zhì)量的DNA分子X射線衍射照片，結(jié)果顯示DNA是雙鏈的螺旋形分子，這一研究成果為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了最直接的證據(jù)。英國科學(xué)家Watson和Crick于1953年提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并于1953年在Nature雜志上發(fā)表。這一結(jié)構(gòu)模型的提出解釋了DNA已知的理化性質(zhì)，確立了核酸作為信息分子的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)基礎(chǔ)，是分子生物學(xué)發(fā)展史上的重要里程碑。美國生物化學(xué)家ErwinChargaff用紙色譜技術(shù)分析了DNA的核苷酸組成，絕大多數(shù)DNA組成的堿基均為A、T、C、G，在不同物種的DNA中，這四種堿基組成有一定的規(guī)律。1950年Chargaff發(fā)表了Chargaff定則，揭示了DNA的堿基之間存在著某種對應(yīng)關(guān)系，為堿基之間的互補配對關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。二、DNA的結(jié)構(gòu)（1）雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型①DNA具有反向平行的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。兩條多聚脫氧核苷酸鏈以相反方向互相纏繞形成右手螺旋結(jié)構(gòu)。兩條鏈中一條鏈的5'-3'方向是自上而下，而另一條鏈的5'-3'方向是自下向上，呈現(xiàn)出反向平行的特征。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑為2.37mm，螺距為3.54mm。②DNA雙鏈之間具有嚴(yán)格的堿基互補配對。DNA中兩條脫氧核苷酸鏈的反向平行特征及堿基的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了兩條鏈之間的特有相互作用方式：兩條脫氧核糖核苷酸鏈通過內(nèi)側(cè)堿基之間的氫鍵連接在一起，使兩條鏈不會松散。堿基之間有嚴(yán)格的配對規(guī)律：A與T配對，形成2個氫鍵；G與C配對，形成3個氫鍵。這種特定的堿基之間的作用關(guān)系稱為互補堿基對，DNA的兩條鏈稱為互補鏈。③親水性骨架在外，互補堿基對在內(nèi)。在DNA雙螺旋鏈中，由于脫氧核糖與磷酸是親水的，位于雙螺旋結(jié)構(gòu)的外側(cè)，形成親水性骨架，而堿基是疏水的，位于螺旋內(nèi)測。從雙螺旋結(jié)構(gòu)外觀看，雙螺旋表面存在兩種不同大小的溝槽，一個較寬、較深，稱為大溝，一個較窄、較淺，稱為小溝，它們是蛋白質(zhì)識別DNA堿基順序的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。二、DNA的結(jié)構(gòu)（2）DNA二級結(jié)構(gòu)的多樣性DNA的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)不是自然界DNA唯一的存在方式。Watson和Crick發(fā)現(xiàn)的雙螺旋結(jié)構(gòu)稱為B型結(jié)構(gòu)，是在相對濕度92%時析出的DNA-鈉鹽纖維所呈現(xiàn)的構(gòu)象，也是生物體內(nèi)天然DNA的主要構(gòu)象。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)在不同條件下，或在不同功能狀態(tài)下可以發(fā)生扭曲、旋轉(zhuǎn)、伸展等結(jié)構(gòu)變化，特別是細胞核內(nèi)的DNA常常與蛋白質(zhì)緊密結(jié)合，因此可以形成不同形態(tài)的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用X射線衍射技術(shù)或配合電鏡觀察對DNA結(jié)構(gòu)進一步研究發(fā)現(xiàn)DNA二級結(jié)構(gòu)存在其他立體構(gòu)象類型。

B-DNAA-DNAZ-DNA旋轉(zhuǎn)方向右旋右旋左旋螺旋直徑2nm2.6nm1.8nm每螺旋堿基對1010.912螺距3.4nm3.2nm4.5nm每圈堿基對數(shù)目1110.512軸心與堿基的關(guān)系穿過堿基對不穿過堿基對不穿過堿基對堿基傾角-2°13°9°嘌呤堿基與脫氧核糖之間β-糖苷鍵的構(gòu)象反式反式順式表2B-DNA、A-DNA、Z-DNA的結(jié)構(gòu)比較二、DNA的結(jié)構(gòu)3.DNA的三級結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)是指雙螺旋基礎(chǔ)上分子的進一步扭曲或再次螺旋所形成的構(gòu)象。其中，超螺旋是最常見的DNA的三級結(jié)構(gòu)。超螺旋的形成：由于DNA雙螺旋是處于最低能量狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，如果使正常DNA的雙螺旋額外地多轉(zhuǎn)幾圈或少轉(zhuǎn)幾圈，就會使雙螺旋內(nèi)的原子偏離正常的位置，這樣在雙螺旋分子中就存在額外的張力。如果雙螺旋末端是開放的，張力就會通過鏈的旋轉(zhuǎn)而釋放；如果DNA分子兩端是以某種方式固定的，這些額外張力就不能釋放到分子之外，而只能在DNA分子內(nèi)部重新分配，從而造成原子或基團的重排，并導(dǎo)致DNA形成超螺旋。第二節(jié)DNA的生物合成一、DNA的復(fù)制二、反轉(zhuǎn)錄作用一、DNA的復(fù)制DNA復(fù)制：是指作為遺傳信息載體的DNA分子的兩條母鏈彼此分離，分別以每一條母鏈作為模板按堿基互補配對原則合成兩個與親代完全一樣的DNA分子，并把遺傳信息分配到子代細胞中的過程，分為起始、延伸和終止三個階段。圖3-1DNA復(fù)制的三種假說圖3-2Meselson和Stahl證明DNA半保留復(fù)制的實驗DNA的復(fù)制方式：（1）半保留復(fù)制：DNA復(fù)制時，親代DNA雙鏈堿基間氫鍵斷裂而使雙鏈解旋和分開；然后以每條單鏈為模板，按堿基互補配對原則，在兩條單鏈上各形成一條互補鏈。DNA的半保留復(fù)制方式，可使遺傳信息準(zhǔn)確地傳遞給子代細胞，保持其相對穩(wěn)定性而不致發(fā)生變化，這對生物的遺傳和維持物種穩(wěn)定性具有重要意義。一、DNA的復(fù)制體內(nèi)的DNA復(fù)制并不是隨機啟動的，而是從特定的區(qū)域開始，即具有固定的復(fù)制起點。其往往表現(xiàn)為特定的序列，識別并結(jié)合與復(fù)制有關(guān)的酶與蛋白質(zhì)，并且DNA在該位點解鏈開始復(fù)制。圖3-3DNA單向和雙向復(fù)制的示意圖圖3-4原核生物環(huán)狀染色體的復(fù)制及真核生物線狀染色體DNA的復(fù)制復(fù)制叉：DNA復(fù)制從復(fù)制起點開始后，母鏈DNA因解鏈而形成的叉狀結(jié)構(gòu)。絕大多數(shù)DNA的復(fù)制是分別向兩側(cè)進行復(fù)制，即雙向復(fù)制；少數(shù)DNA的復(fù)制只能向一個方向進行，即單向復(fù)制。一、DNA的復(fù)制DNA的復(fù)制方式：（2）半不連續(xù)復(fù)制：當(dāng)DNA復(fù)制時，一條鏈?zhǔn)沁B續(xù)的，另一條是不連續(xù)的，因此稱為半不連續(xù)復(fù)制。連續(xù)合成的DNA子鏈稱為前導(dǎo)鏈，亦稱先導(dǎo)鏈，不連續(xù)合成的子鏈稱為后隨連，又稱滯后鏈。由于DNA分子的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，一條鏈的走向為5'→3'，互補鏈則為3'→5'。然而，所有DNA聚合酶只以5'→3'方向合成DNA，而從不會以3'→5'方向合成DNA。這就很難說明DNA在復(fù)制時兩條鏈如何能夠同時作為模板合成其互補鏈？因此，人們推測一條子鏈?zhǔn)沁B續(xù)合成的，而另一條子鏈則是不連續(xù)合成的，即3'→5'走向的DNA實際上是由許多5'→3'方向合成的DNA片段連接起來的。圖3-5DNA的半不連續(xù)復(fù)制一、DNA的復(fù)制參與DNA復(fù)制的主要酶和蛋白質(zhì)：在DNA復(fù)制過程中，除了需要DNA的模板、4種作為底物的dNTP和Mg2+外，還需一些酶和蛋白質(zhì)的參與。涉及的主要酶和蛋白質(zhì)有DNA拓撲異構(gòu)酶、DNA解旋酶、單鏈結(jié)合蛋白、引物酶、DNA聚合酶、端粒酶以及DNA連接酶等。DNA拓撲異構(gòu)酶：是一類催化DNA拓撲異構(gòu)體相互轉(zhuǎn)化的酶，其與DNA雙鏈形成共價結(jié)合的“蛋白質(zhì)-DNA中間體”，在DNA雙鏈骨架的3‘,5’-磷酸二酯鍵處造成暫時的切口，使DNA的多聚核苷酸鏈得以穿越，通過改變DNA的連接數(shù)，而改變分子拓撲結(jié)構(gòu)。拓撲異構(gòu)酶雖然具有改變DNA拓撲結(jié)構(gòu)的能力，但不具備解開雙鏈的能力。而將DNA兩條鏈解開，則有賴于DNA解螺旋酶。此類酶能通過水解ATP獲得能量來解開雙鏈，且每解開一對堿基，需要水解2分子ATP成ADP和磷酸鹽。圖3-6DNA解螺旋酶的工作原理一、DNA的復(fù)制隨著DNA雙螺旋被DNA解螺旋酶不斷地打開，單鏈結(jié)合蛋白隨即結(jié)合于每條DNA單鏈上。SSB蛋白本身并沒有任何酶的活性，但通過與DNA單鏈區(qū)段的結(jié)合，在DNA復(fù)制過程中至少起三個方面的作用：①防止解開的單鏈重新結(jié)合形成雙螺旋，以便維持模板處于單鏈狀態(tài)；②避免DNA的單鏈區(qū)域自身鏈內(nèi)雙螺旋的形成；③保護DNA單鏈不被核酸酶降解。圖3-7單鏈結(jié)合蛋白結(jié)合部位示意圖在DNA復(fù)制起始階段必須首先合成一段引物，為后續(xù)DNA復(fù)制的延伸階段提供3'-羥基端。目前，所發(fā)現(xiàn)的引物大多為一段RNA，而這段稱為RNA引物的序列則由引物酶來合成。引物酶識別DNA單鏈模板，以四種核糖核苷酸為原料合成一小段RNA，這段RNA作為合成DNA的引物。在啟動引物合成的時候，引物酶與復(fù)制叉結(jié)合，在引物合成好以后會立刻與復(fù)制叉解離。由于DNA復(fù)制的半不連續(xù)性，引物酶在前導(dǎo)鏈上只需要引發(fā)一次，而在后隨鏈上則需要引發(fā)多次。引物酶（Primase）的概述圖一、DNA的復(fù)制DNA聚合酶催化合成反應(yīng)的機制：在生長的DNA鏈(或引物鏈)末端的3'-OH對新加入的脫氧核苷三磷酸α-位的磷酸進攻，形成3',5'-磷酸二酯鍵，并釋放一個焦磷酸(PPi)。每釋放一個焦磷酸，即形成一個磷酸二酯鍵，就延長一個核苷酸單位的DNA鏈。DNA聚合酶：是指以脫氧核苷三磷酸為底物催化合成DNA的一類酶。其催化的反應(yīng)通式為：表3-1大腸桿菌DNA聚合酶的性質(zhì)比較表3-3真核細胞DNA聚合酶α、β、γ、δ和ε的性質(zhì)和功能一、DNA的復(fù)制端粒是位于一條染色體末端的特殊結(jié)構(gòu)，由DNA和蛋白質(zhì)組成，其中的DNA被稱為端粒DNA。當(dāng)真核細胞的線形染色體DNA復(fù)制到一定階段的時候，位于端粒DNA3'端的岡崎片段上的RNA引物被切除，這必然留下一段空隙。該空隙無法通過DNA聚合酶直接填補，原因是DNA聚合酶不能從3'→5'方向催化DNA的合成。若上述空隙不及時填補，染色體DNA每復(fù)制一次，端粒DNA就會少一段。端粒酶是真核細胞染色體DNA復(fù)制所特有的也是必需的一種依賴于RNA的DNA聚合酶，它所起的作用是維持染色體端粒結(jié)構(gòu)的完整。端粒（Telomere）DNA聚合酶不能使鏈之間連接。但DNA在復(fù)制過程中，后隨鏈上的復(fù)制是不連續(xù)的，會產(chǎn)生岡崎片段。那岡崎片段是如何連接成完整的DNA鏈呢？實驗證明，當(dāng)產(chǎn)生岡崎片段后，其5'端的RNA引物通過DNA聚合酶Ⅰ催化的切口位移而降解，并為脫氧核苷酸片段所置換，新形成的切口由DNA連接酶將切口處的5'-磷酸基和3'-羥基予以連接封閉，形成3',5'-磷酸二酯鍵。DNA連接酶和DNA聚合酶的比較端粒（Telomere）一、DNA的復(fù)制原核生物DNA復(fù)制過程：在大體上可以分為復(fù)制的起始、延伸和終止三個階段。其間的反應(yīng)和參與作用的酶與輔助因子各有不同。圖3-9DNA聚合酶催化鏈延長的方向圖3-8：大腸桿菌復(fù)制起點成串排列的重復(fù)序列（1）復(fù)制的起始原核生物DNA的復(fù)制以DNA鏈與起始蛋白結(jié)合并解開雙鏈DNA為起點。DNA復(fù)制不是隨機的過程，復(fù)制由特定的位點——復(fù)制起點開始。（2）復(fù)制的延伸親代DNA雙螺旋由解螺旋酶將雙鏈解開，其產(chǎn)生的拓撲張力由拓撲異構(gòu)酶釋放，分開的鏈被單鏈結(jié)合蛋白所穩(wěn)定，而后按照半不連續(xù)復(fù)制方式進行前導(dǎo)鏈和后隨鏈的合成。（3）復(fù)制的終止細菌環(huán)狀染色體的兩個復(fù)制叉向前推移，最后在終止區(qū)相遇并停止復(fù)制。一、DNA的復(fù)制真核生物DNA復(fù)制過程：真核生物DNA復(fù)制與原核生物DNA復(fù)制的相同點在于它們都是半保留、半不連續(xù)復(fù)制，復(fù)制過程都存在起始、延伸和終止三個階段，都需要相應(yīng)功能的酶和蛋白質(zhì)參與。但真核生物比原核生物復(fù)雜得多，其基因組DNA也遠大于原核生物，在結(jié)構(gòu)上真核生物基因組DNA要與五種組蛋白（H1、H2A、H2B、H3和H4）結(jié)合，形成核小體，以染色質(zhì)的形式存在于細胞核中。（1）染色質(zhì)復(fù)制真核生物DNA復(fù)制過程中需要解決核小體和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對DNA復(fù)制構(gòu)成的障礙。DNA復(fù)制過程中，復(fù)制叉向前移動，由于DNA雙鏈解旋，核小體結(jié)構(gòu)必然被解聚，復(fù)制完成后，核小體則需要在子鏈上重新組裝。由于復(fù)制后DNA量增加了一倍，因此必須合成新的組蛋白以組裝新的核小體。（2）復(fù)制起點及復(fù)制速度真核生物的DNA具有多復(fù)制起點，而原核生物只有一個。真核生物染色體在全部復(fù)制完成之前，各個起點不再重新開始復(fù)制；而在快速生長的原核生物中，復(fù)制起點可以連續(xù)開始新的DNA復(fù)制，雖然只有一個復(fù)制單元，但有多個復(fù)制叉。真核生物的復(fù)制速度比原核生物的慢。一、DNA的復(fù)制（3）DNA聚合酶真核生物DNA復(fù)制需DNA聚合酶及多種蛋白質(zhì)因子參與，真核生物DNA聚合酶主要有α、β、γ、δ和ε五種酶。（4）RNA引物和岡崎片段真核生物復(fù)制中的RNA引物和岡崎片段均小于原核生物。（5）DNA復(fù)制與細胞周期在真核生物中，DNA的復(fù)制屬于細胞周期的一部分。（6）末端復(fù)制與端粒酶端粒是真核生物線性染色體的兩個末端具有的特殊結(jié)構(gòu)。真核生物通過形成端粒結(jié)構(gòu)及端粒酶來阻止端?？s短。圖3-10端粒復(fù)制過程二、反轉(zhuǎn)錄作用DNA是生物最重要的遺傳物質(zhì)，其貯存的遺傳信息決定了細胞內(nèi)外各種蛋白質(zhì)的氨基酸序列。FrancisCrick于1956年提出“中心法則”（圖3-23）。圖3-23中心法則中心法則：DNA首先作為模板指導(dǎo)RNA的生物合成，然后再由RNA直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成。這種以DNA作為模板合成RNA的過程稱為轉(zhuǎn)錄（transcription）。以RNA鏈為模板合成DNA的過程稱為反轉(zhuǎn)錄（reversetranscription）。催化逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的酶稱為逆轉(zhuǎn)錄酶，也稱為依賴RNA的DNA聚合酶。二、反轉(zhuǎn)錄作用反轉(zhuǎn)錄的過程：目前已知的致癌的RNA病毒都含有逆轉(zhuǎn)錄酶，因而也被稱為反轉(zhuǎn)錄病毒。當(dāng)反轉(zhuǎn)錄病毒借助病毒顆粒的表面蛋白和跨膜蛋白進入到宿主細胞后，首先會以反轉(zhuǎn)錄病毒攜帶的基因組RNA為模板，結(jié)合反轉(zhuǎn)錄過程所需要的引物、酶經(jīng)過反轉(zhuǎn)錄合成雙鏈DNA分子，即cDNA。隨后，cDNA分子進入宿主細胞細胞核，在整合酶的作用下，病毒的cDNA分子整合到宿主細胞的染色體DNA內(nèi)，稱為前病毒。前病毒可以繼續(xù)隨著宿主的染色體DNA一起進行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，將致癌信息傳遞給子代細胞，經(jīng)轉(zhuǎn)錄翻譯后才能產(chǎn)生病毒性蛋白質(zhì)。圖3-24反轉(zhuǎn)錄病毒的生活周期二、反轉(zhuǎn)錄作用反轉(zhuǎn)錄酶是美國威斯康星大學(xué)HowardTemin在勞氏肉瘤病毒中發(fā)現(xiàn)的，并于1970年由DavidBaltimore和分別從致癌病毒中分離出來。反轉(zhuǎn)錄酶是一種多功能酶，具有三種酶的活性。①具有RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶活性，即以RNA為模板，合成與其互補配對的一條DNA鏈，形成RNA-DNA雜交分子。②具有DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶性，即以新合成的的DNA鏈為模板合成互補的DNA鏈，形成DNA雙鏈。③具有核糖核酸酶H（RNaseH酶）的活力，專門水解RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈，起著3'→5'外切酶和5'→3'外切酶的作用。反轉(zhuǎn)錄酶催化的DNA合成反應(yīng)也需要模板和引物，同時也以4種脫氧核糖核苷三磷酸（dNTP）作為底物，此外還需要Mg2+、Mn2+。合成的DNA鏈延伸方向為5'→3'方向，這些性質(zhì)都與DNA復(fù)制方式類似。HowardMartinTemin2.反轉(zhuǎn)錄酶的性質(zhì)二、反轉(zhuǎn)錄作用3.反轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)意義(1)反轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)遺傳信息可以從RNA傳到DNA，從而豐富了中心法則的內(nèi)容；

(2)可以以真核生物分離的RNA為模板，利用反轉(zhuǎn)錄酶合成其相應(yīng)的cDNA以獲取目的基因。

(3)反轉(zhuǎn)錄酶作為一種重要的工具酶，在基因工程和蛋白質(zhì)工程中具有重要的實際意義。(4)反轉(zhuǎn)錄作用的發(fā)現(xiàn)不僅僅是對中心法則內(nèi)容的進一步補充，他將有助于人們對RNA病毒致癌的機制進行深入了解和探究。第三節(jié)DNA損傷及修復(fù)與人體健康一、DNA損傷的概念二、DNA損傷的類型三、DNA損傷的原因四、DNA損傷的后果五、DNA損傷修復(fù)概念六、DNA損傷修復(fù)簡史七、DNA損傷修復(fù)途徑八、DNA損傷及其修復(fù)的意義一、DNA損傷的概念生物遺傳物質(zhì)DNA的遺傳保守性是維持生物物種相對穩(wěn)定的最主要因素。然而，在長期的生物演進過程中，生物體時刻受到來自內(nèi)、外環(huán)境中各種因素的影響，DNA的改變不可避免。各種體內(nèi)或者體外的因素所導(dǎo)致的DNA組成與結(jié)構(gòu)變化稱為DNA損傷（DNAdamage）。二、DNA損傷的類型DNA分子中的堿基、核糖與磷酸二酯鍵均是DNA損傷因素作用的靶點。根據(jù)DNA分子結(jié)構(gòu)改變的不同，DNA損傷有堿基脫落、堿基結(jié)構(gòu)破壞、嘧啶二聚體形成、DNA單鏈或雙鏈斷裂、DNA交聯(lián)等多種類型。二、DNA損傷的類型1234堿基損傷與糖基破壞一些化學(xué)試劑可通過對堿基的某些基團進行修飾而改變堿基的理化性質(zhì)，破壞堿基的結(jié)構(gòu)。DNA鏈斷裂DNA鏈斷裂是電離輻射致DNA損傷的主要形式。某些化學(xué)毒劑也會導(dǎo)致DNA鏈斷裂。戊糖環(huán)的破壞、堿基的損傷和脫落都是引起DNA斷裂的原因。堿基間錯配堿基類似物的摻入、堿基修飾劑的作用可改變堿基的性質(zhì)，導(dǎo)致DNA序列中的錯誤配對。DNA鏈共價交聯(lián)被損傷的DNA分子中有多種DNA交聯(lián)形式。包括鏈內(nèi)交聯(lián)、鏈間交聯(lián)，此外DNA分子還可與蛋白質(zhì)以共價鍵結(jié)合,稱為DNA-蛋白質(zhì)交聯(lián)。三、DNA損傷的原因DNA損傷的誘發(fā)因素眾多，一般可分為自發(fā)性因素與外源因素。自發(fā)性因素主要包括機體代謝過程中產(chǎn)生的某些活性代謝物，DNA復(fù)制過程中發(fā)生的堿基錯配，以及DNA本身的熱不穩(wěn)定性等，均可誘發(fā)DNA“自發(fā)”損傷。外源因素則主要包括輻射、化學(xué)毒物、藥物、病毒感染、植物以及微生物的代謝產(chǎn)物等。值得注意的是，體內(nèi)因素與體外因素的作用，往往是不能截然分開的。通常，外源因素是通過體內(nèi)因素引發(fā)DNA損傷的。然而，不同因素所引發(fā)的DNA損傷的機制往往又是不相同的。VS（1）物理因素（2）化學(xué)因素（3）生物因素（1）DNA復(fù)制錯誤（2）DNA自身的不穩(wěn)定性（3）機體代謝過程中產(chǎn)生的活性氧自發(fā)性損傷外源因素三、DNA損傷的原因四、DNA損傷的后果DNA損傷可產(chǎn)生兩種后果：一是損傷導(dǎo)致DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性改變，即突變；二是損傷導(dǎo)致DNA失去作為復(fù)制和（或）轉(zhuǎn)錄的模板。在長期的生物進化中，無論低等生物還是高等生物均形成了自己的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)，可隨時修復(fù)損傷的DNA，恢復(fù)DNA的正常結(jié)構(gòu)，保持細胞的正常功能。實際上，DNA損傷的同時即伴有DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)的啟動。五、DNA損傷修復(fù)概念DNA損傷修復(fù)（repairofDNAdamage）在多種酶的作用下，生物細胞內(nèi)的DNA分子受到損傷以后恢復(fù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。DNA損傷修復(fù)的研究有助于了解基因突變的機制，衰老和癌變的原因，還可應(yīng)用于環(huán)境致癌因子的檢測。六、DNA損傷修復(fù)簡史階段三1968階段一1949年A.Kellner偶然發(fā)現(xiàn)灰色鏈絲菌等微生物經(jīng)紫外線（UV）照射后如果立即暴露在可見光下則可減少死亡。此后在大量的微生物實驗中都發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，并證明這是許多種微生物固有的DNA損傷修復(fù)功能，并把這一修復(fù)功能稱為光復(fù)活。1949階段一1958年R.L.Hill證明即使不經(jīng)可見光的照射，大腸桿菌也能修復(fù)它的由紫外線所造成的DNA損傷，而后又證明其他微生物也有這種功能，當(dāng)時就把這種修復(fù)功能稱為暗復(fù)活。此后證實暗修復(fù)包括切除修復(fù)和復(fù)制后修復(fù)兩種。19581968年美國學(xué)者J.E.Cleaver首先發(fā)現(xiàn)人類中的常染色體隱性遺傳的光化癌變疾病──著色性干皮?。╔P），是由基因突變造成的DNA損傷切除修復(fù)功能的缺陷引起的。這一發(fā)現(xiàn)為惡性腫瘤的發(fā)生機理提供了一個重要的分子生物學(xué)證據(jù),也促使DNA損傷修復(fù)的研究進入了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域七、DNA損傷修復(fù)途徑細胞內(nèi)存在多種修復(fù)DNA損傷的途徑或者系統(tǒng)。常見的DNA損傷修復(fù)系統(tǒng)或系統(tǒng)包括，直接修復(fù)、切除修復(fù)、重組修復(fù)以及損傷跨越修復(fù)等，值得注意的是，一種DNA損傷可以通過多種途徑修復(fù)，而一種途徑也可以同時參與多種DNA損傷的修復(fù)流程。七、DNA損傷修復(fù)途徑修復(fù)途徑修復(fù)對象常見的DNA損傷的修復(fù)路徑光復(fù)活修復(fù)嘧啶二聚體DNA光裂合酶堿基切除修復(fù)受損的堿基DNA糖苷酶、AP核酸內(nèi)切酶核苷酸切除修復(fù)嘧啶二聚體，DNA螺旋結(jié)構(gòu)的改變大腸桿菌中UvrA、UvrB、UvrC、UvrD，人XP系列蛋白質(zhì)XPA、XPB等錯配修復(fù)復(fù)制或重組中的堿基配對錯誤大腸桿菌中的MutH、MutL、MutS，人的MLH1、MSH2、MSH3、MSH6等重組修復(fù)雙鏈斷裂RecA蛋白、Ku蛋白、DNA-PKcs、XRCC4損傷跨越修復(fù)大范圍的損傷或復(fù)制中來不及修復(fù)的損傷RceA蛋白、LexA蛋白、其他類型的DNA聚合酶表3-7常見的DNA損傷的修復(fù)路徑七、DNA損傷修復(fù)途徑嘧啶二聚體的直接修復(fù)稱為光修復(fù)或者光逆轉(zhuǎn)。這是在可見光（波長3000～6000埃）照射下由DNA光裂合酶（DNAphotolyase）識別并作用于二聚體，利用光所提供的能量使環(huán)丁酰環(huán)打開，將嘧啶二聚體解聚為原來的單體核苷酸形式，而完成的修復(fù)過程鳥嘌呤O6位點的烷基化損傷:當(dāng)DNA被甲基化或者乙基化修飾后，存在于生物體的O6-甲基鳥嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶（O6-methyl-guaninemethyltransferase）能夠催化這種損傷修復(fù)反應(yīng)，它能直接將甲基或乙基直接從鳥嘌呤的O6原子上轉(zhuǎn)移到酶蛋白分子的一個半胱氨酸殘基上，從而修復(fù)損傷的DNAAB1.直接修復(fù)BA七、DNA損傷修復(fù)途徑圖3-27胸腺嘧啶二聚體的DNA光復(fù)活修復(fù)圖3-28烷基化堿基的直接修復(fù)七、DNA損傷修復(fù)途徑在堿基切除修復(fù)中，由DNA糖基化酶(DNAglyco-sylase)識別受損堿基，通過使DNA發(fā)生扭曲而使受損堿基從堿基對中凸出來，然后水解受損堿基與核糖之間的糖苷鍵(glycosidicbond)，如圖3-29所示，從而除去受損堿基。核苷酸切除修復(fù)包括胸腺嘧啶二聚體在內(nèi)，當(dāng)堿基受到較大程度的損傷時，會被修復(fù)系統(tǒng)直接切除，且無須DNA糖基化酶的協(xié)助。在核苷酸切除修復(fù)途徑中，切除酶系統(tǒng)識別發(fā)生嚴(yán)重損傷的DNA鏈，然后從損傷區(qū)域的兩側(cè)將DNA鏈斷裂，切除包含損傷區(qū)域在內(nèi)的一段寡核苷酸鏈。AB2.切除修復(fù)BA七、DNA損傷修復(fù)途徑圖3-30人類的BER途徑圖3-31E.coli的核苷酸切除修復(fù)3.錯配修復(fù)到目前為止，我們已經(jīng)討論了有關(guān)因化學(xué)誘變劑造成DNA損傷的修復(fù)機制，但對于只是由于摻入錯誤堿基且被校正系統(tǒng)遺漏的錯配又將如何獲得修復(fù)？首先，修復(fù)這樣的錯誤十分棘手，因為很難確定哪一條是帶有錯誤核苷酸的新合成鏈，哪一條是不需要修復(fù)的正確的親本鏈。在E.coli細胞中這個問題很容易解決，因為親本鏈具有區(qū)別于子鏈的識別標(biāo)簽，這些標(biāo)簽就是甲基化的腺嘌呤。甲基化酶可以識別5'-GATC-3'序列，然后將甲基轉(zhuǎn)移到腺嘌呤上。該堿基序列廣泛分布于整個基因組中，通常每隔250bp就會出現(xiàn)-一次，鄰近于可能出現(xiàn)錯配的位點。七、DNA損傷修復(fù)途徑基因名稱染色體定位cDNA全長(bp)蛋白質(zhì)全長氨基酸數(shù)主要功能細胞定位組織分布MLH13p21.32484756錯配修復(fù)細胞核大腸、乳腺、肺、脾、睪丸、前列腺、甲狀腺、膽囊、心肌MLH314q24.348951453錯配修復(fù)細胞核廣泛，多見于消化道上皮PMS12q31-333121932錯配修復(fù)細胞核與MLH1組織分布一致PMS27p222859862錯配修復(fù)細胞核與MLH1組織分布一致MSH22p22-213181934錯配修復(fù)細胞核廣泛，在腸道表達多現(xiàn)于隱窩MSH35q11-1231871137錯配修復(fù)細胞核在非小細胞肺癌和造血系統(tǒng)惡性腫瘤中表達減少MSH41p313085936染色體重組細胞核睪丸、卵巢MSH56p21.32883834染色體重組細胞核廣泛，尤其睪丸、胸腺和免疫系統(tǒng)中高表達MSH62p1642631360錯配修復(fù)細胞核

表3-9人類錯配